本文關(guān)鍵詞： 鋰離子電池 富鋰正極材料 高能量密度 摻雜改性 包覆改性　出處：《濟(jì)南大學(xué)》2014年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：富鋰型層狀過渡金屬嵌鋰氧化物是一種新型的固溶體基鋰離子電池正極材料，它因超高的容量和能量密度等特性成為鋰離子正極材料的研究熱點，但較差的導(dǎo)電能力限制了它的發(fā)展。本論文主要通過優(yōu)化合成方法和摻雜、包覆改性及材料的顆粒納米化等方式對材料進(jìn)行性能優(yōu)化研究。 首先通過固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、有機共沉淀法等多種不同制備方法合成了富鋰層狀正極材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2。并對材料的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了綜合表征，表征手段有X射線衍射（XRD），掃描電鏡（SEM），恒流充放電測試等。經(jīng)過優(yōu)化，以上各種制備方法合成的材料都具備層狀α-NaFeO2晶體構(gòu)型，在XRD圖譜中2θ=20°~25°之間，存在屬于Li2MnO3的超晶格峰。其中，固相法和共沉淀法的顆粒大小都比較均勻，溶膠凝膠法、水熱法和有機共沉淀法的顆粒都較小，并且顆粒之間的間距��；固相法、共沉淀法、溶膠-凝膠法和有機共沉淀法合成的材料都能達(dá)到250mAh/g左右的高比容量，水熱法的比容量也達(dá)到了230mAh/g以上。 利用電負(fù)性比O2-更強的陰離子F-在陰離子位進(jìn)行摻雜，并在此基礎(chǔ)上采用Zr/Cl、Fe/F的組合對Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料進(jìn)行陰陽離子協(xié)同摻雜改性，分別采用XRD，SEM，恒流充放電，循環(huán)伏安（CV），交流阻抗（EIS）等測試手段對材料進(jìn)行了全方位的表征，探討摻雜改性方案的優(yōu)化。通過有機共沉淀法制備的F摻雜改性系列材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2-xFx中，摻雜量為x=0.01時，在高倍率下有更好的表現(xiàn)，在500mA/g的電流密度下，仍保持有50mAh/g以上的可逆容量，高于未摻雜的材料。Fe/F復(fù)合摻雜改性的Li1.2Mn0.54-xNi0.13-xCo0.13-xFe3xO2-yFy材料，摻雜量為x=0.04，y=0.05時，材料呈現(xiàn)最佳性能，在300mA/g電流密度下充放電，仍能夠能夠保持140mAh/g以上的放電比容量。Zr/Cl復(fù)合摻雜改性的Li1.2Mn0.54-xZrxNi0.13Co0.13O2-yCly材料與α-NaFeO2的層狀結(jié)構(gòu)匹配，并具有Li2MnO3相，材料顆尺寸約為100~250nm。隨著Zr/Cl摻雜量增加，在2θ=25°~35°之間，出現(xiàn)了ZrO2的弱衍射峰，說明摻雜濃度較大時，Zr并不能夠全部進(jìn)入晶格。在低倍率下，摻雜量x=0.04, y=0.08的材料具有較高的可逆容量，在25次周期性循環(huán)后，仍有234mAh/g的放電比容量。而摻雜量為x=0.02, y=0.04的材料則具有更好的倍率性能，在250mA/g的電流密度下，仍保持約150mAh/g的放電比容量。 分別利用對電解液穩(wěn)定的氧化物Al2O3、高容量正極材料LiV3O8、鎳錳尖晶石高電壓正極材料LiMn1.5Ni0.5O4、具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料等對富鋰正極材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2進(jìn)行了表面包覆改性，采用XRD，SEM，恒流充放電，CV，EIS等表征手段對包覆改性的效果進(jìn)行了表征分析。Al2O3包覆前后的材料結(jié)構(gòu)相同，包覆后的材料顆粒之間距離更短，排列更加緊實。由于對電解液惰性的氧化物包覆層屏蔽了材料與電解液之間的惡性相互作用，從而有效改善了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。包覆材料循環(huán)25次后，放電比容量仍有240mAh/g，容量保持率從包覆前的82.3%上升到包覆后的95.1%。經(jīng)過LiV3O8包覆后材料的XRD圖譜沒有發(fā)現(xiàn)包覆物的衍射峰，說明包覆層是無定形態(tài)。在500mA/g下，包覆量為3wt%和5wt%的放電容量比未包覆的材料高出約80mAh/g。經(jīng)過尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4包覆后的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2與原始材料層狀結(jié)構(gòu)相同，在200mA/g的電流密度下，包覆后比未包覆的材料放電比容量高出約70mAh/g。復(fù)合材料石墨烯/聚苯胺包覆的Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2保持了富鋰的層狀結(jié)構(gòu)，由于包覆層優(yōu)良的導(dǎo)電性，包覆后材料的倍率性能得到明顯改善。在500mA/g的電流密度下，包覆量為1wt%和5wt%的材料與未包覆材料相比，它們的放電比容量分別高出約150mAh/g和70mAh/g。 利用水熱法制備的MnO2納米線作為反應(yīng)物，結(jié)合固相法、溶膠-凝膠法和水熱法制備Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2，探討材料納米化對其性能的影響。合成的材料具備良好層狀結(jié)構(gòu)，顆粒平均尺寸小于100nm，，溶膠凝膠法合成的材料容量相對最高，水熱法合成的材料相對具有最優(yōu)的倍率性能。
[Abstract]:Lithium - rich layered transition metal lithium - lithium oxide is a new positive electrode material of solid solution based lithium ion battery . It has become a hot spot for lithium ion cathode materials because of its high capacity and energy density . Li 1.2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O2 was synthesized by solid - phase method , co - precipitation method , sol - gel method , hydrothermal method and organic coprecipitation method . The positive ion co - doping modification of Li1.2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O 2 was carried out by means of XRD , SEM , constant current charge and discharge , cyclic voltammetry ( CV ) and AC impedance ( EIS ) . The surface coating modification of Li1.2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O2 was carried out on Li1 . 2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O2 , which was coated with Li1.2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O2 . Li1.2Mn0 . 54Ni0 . 13Co0 . 13O2 was prepared by sol - gel method and hydrothermal method using MnO2 nanowires prepared by hydrothermal method .

【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ131.11;TM912

【參考文獻(xiàn)】

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1 趙煜娟;馮海蘭;趙春松;孫召琴;;鋰離子電池富鋰正極材料xLi_2MnO_3·(1-x)LiMO_2(M=Co,Fe,Ni_(1/2)Mn_(1/2)…)的研究進(jìn)展[J];無機材料學(xué)報;2011年07期

本文編號：1509787